关键词： 可见光动态视觉传感器   红外动态视觉传感器   低功耗   伪电阻开关电路   尖峰扫描仲裁器   地址-事件表示  

摘要： 生物视觉系统所具有的感知、学习和适应的能力,为现代仿生学科工程的研究和实现提供了最现实的参考范式。其在认知理解过程中表现出异步独立工作、大规模并行、事件驱动、超稀疏表示和高速高效等特点。受此视觉机制的启发,动态视觉传感器通过对视网膜杆状细胞、视神经和视觉中枢三层结构的模拟还原,模拟人眼视觉系统高时空分辨率的感知能力。动态视觉传感器与传统CMOS图像传感器相比,具有大动态范围、低功耗、低数据量和快速响应等优点。但是,在一些特殊应用场景下,例如黑夜、雨雾天气等,本就缺乏细节成像信息的动态视觉传感器性能将大打折扣。而红外成像,则具有全天候工作、灵敏度高、抗干扰能力强等优势,能够弥补动态视觉传感器这一不足。 基于此,本文设计了一款红外动态视觉传感器。红外动态视觉传感器由像素电路阵列、线或电路、二叉树仲裁电路、基于地址-事件表示的尖峰扫描仲裁电路、编码电路、电源电路、低功耗控制电路和红外焦平面阵列组成。红外焦平面阵列接收光强产生光电流,由像素电路阵列进行电流-电压转换、放大和比较,最后通过线或电路、仲裁电路和编码电路实现数据有序读出。本文首先对课题组先前的研究成果可见光动态视觉传感器进行了测试板设计和芯片测试验证,发现泄漏电流噪声、读出速度和工作温度对可见光动态视觉传感器成像质量具有较大影响;然后根据红外成像特性和可见光动态视觉传感器存在的问题提出红外动态视觉传感器设计方案。本文设计的红外动态视觉传感器芯片具有如下几个特点:(1)具有自适应低功耗控制模式,有效降低像素电路功耗;(2)采用基于伪电阻开关电路的开关电容放大器,消除泄露电流造成的假事件;(3)采用基于地址-事件表示的尖峰扫描仲裁器,提高芯片的数据吞吐量;(4)优化像素电路设计,使其最小检测电流低至10f A,满足像素电路光电流-电压转换的需要。 本文采用0.18μm CMOS图像传感器工艺对红外动态视觉传感器芯片的子模块电路及整体电路进行了仿真验证,并设计了芯片版图。仿真结果表明,本芯片的动态范围为120d B,数据吞吐量为50Meps,具有低功耗工作模式,单个像素平均静态功耗为1.47μW。

关键词： 全双工   低功耗   正交内积   模拟域自干扰消除   数字域自干扰消除  

摘要： 随着无线网络的大规模普及,可用频谱资源不断短缺的问题日益突出。为了缓解频谱资源紧张,具有双频谱利用率、更高的速率和吞吐量等显著特点的带内全双工技术成为通信研究热点之一。虽然全双工技术的优势是显而易见的,但是仍然存在着诸多挑战需要解决,例如严重的自干扰影响。由于全双工收发机收发链路之间的距离极短,发射信号强烈地耦合到同一位置的接收链,此部分信号与在相同频带和时隙中接收到的远程基站的期望信号相互重叠,从而使得期望信号淹没在自干扰信号中而无法解调。因此本文对全双工无线通信系统自干扰消除问题展开研究。首先,针对现有模拟域自干扰消除电路功耗高的问题,本文通过设计一款无源的模拟域自干扰消除电路。该电路使用迪克森电荷泵进行设计,通过电荷泵电路的交直流转换,将自干扰中的主要能量转换为直流能量,从而实现了自干扰的主能量消除。其次,针对现有数字域自干扰消除方法需要信道估计,而估计误差降低自干扰消除性能问题,本文设计了一个不需要信道估计的数字域正交内积置零方法。该方法通过构造与自干扰的视距路径相互正交的辅助信号,使其与残余自干扰进行点乘运算,实现残余自干扰视距路径分量消除。此外,本文利用多径信号数据样本的相关性,采用二次辅助函数构建的方法消除残余自干扰中的非视距路径分量。再次,本文对所提出方法进行深入的理论分析,分别讨论所提出的模拟域和数字域自干扰消除能力的上下界。同时,通过使用ADS与Matlab仿真软件来检验上述自干扰消除性能分析的有效性。最后,本文对所提出的模拟域与数字域两步自干扰消除方法进行实验验证。通过使用模拟域消除电路和USRP N210软件无线电平台进行实验测试,实验结果表明,本文所提方法可以实现约85 dB的自干扰消除性能,并且可以解调出期望信号。在信噪比为25 dB时,误码率在10以下。

关键词： 高温控制类应用   SAR ADC   单端数模转换器   温度计码   低功耗  

摘要： 逐次逼近寄存器型模数转换器(SARADC)因其高度数字化、串行反馈式工作的特点而适用于中等精度中等速度场合,其中,同步架构还具有高可靠性的优点,广泛应用于要求系统更准确、更小、更低功耗和更高可靠性的工业控制系统中。不同于信道复杂的通信类应用,控制系统中的模拟量通常是单端的,并且需要实时获取量化信息而不允许流水线延迟。由于准确度在控制系统中的重要性,其中的ADC相比较有效位数等动态参数更注重微分/积分非线性这些静态参数,一般要求在整个温度范围内无漏失码。针对最高温度高达150℃的高温控制类应用,基于0.18μm CMOS工艺和2.7～5.25V的供电条件,本文研究并设计了一款12位精度1MSPS采样率的单端同步SARADC,二进制权重的电容阵列DAC保证了数据的实时串行输出;采用4位温度计码译码器以保证良好的静态特性,并分配给最高位2.5个时钟以保证MSB位的充分建立;在系统层面优化了基准电压缓冲器的功耗;动态比较器前引入的静态预放大级改善了余量信号的信噪比。最终完成了版图设计,并提取寄生参数进行了后仿真验证。整个设计的版图面积为716μm×868μm。后仿真结果表明,在5.25V电源电压下,所设计ADC在1MS/s转换速率下的功耗仅为5mW。典型情况下,在12.6953125kHz输入信号频率时的有效位数达到11.4bit,在150℃的高温条件下的有效位数达到11.32bit。人为引入伪随机的1‰单位电容偏差率,有效位数仅下降0.2bit,验证了本设计良好的静态性能。

关键词： 低功耗   LoRa   气象站   云平台  

摘要： 农业气象监测系统是一套能自动监测气象环境要素,实时转发或上传所监测的气象环境数据至云平台,并及时向用户发出预警的系统。目前,我国的气象监测系统中气象设备数量上设置的过于单一,系统中的软硬件功耗都相对较高,所采集的气象数据的准确性与整个系统长期使用的稳定性均需提升。因此,根据当前社会的需要和国内农业气象监测系统现状,本文提出了一种基于LoRa无线组网技术的低功耗农业气象监测系统。本文主要工作如下:(1)对农业气象监测系统进行软硬件低功耗设计。硬件上完成了开关功耗设计、低功耗微处理器电路监控、静态功耗设计,实现了电路PCB硬件上的低功耗设计。软件上完成了无线网络协议中用来射频状态调度的MAC层低功耗设计、MCU休眠唤醒切换机制设计;再结合编译优化等级、指令排序等一些降低软件功耗的方法,实现软件上的低功耗设计。(2)采用超低功耗微控制器STM32G0为主控芯片;Modbus-RTU协议来对气象传感器的数据进行采集;LoRa无线组网通信技术进行气象数据的中继或转发,实现各个子气象站之间的低功耗远距离可靠通信;气象网关使用4G或者Wi Fi将设备接入互联网,上传气象数据至云平台;将Flash分为A区和B区,设计Boot Loader实现IAP下载,以及OTA网络远程升级;最后使用MQTT协议和阿里云,实现气象监测云平台和手机APP。(3)采用太阳能充电板、可充电锂电池和外部电源为系统供电。使子气象站在野外工作时能合理利用太阳能资源,锂电池能够在恶劣环境下持续稳定地为子气象站供电,整个气象监测系统也因此具备抵抗自然灾害的能力,保证子气象站能长期在室外独立运行。经过系统测试,本文设计的气象监测系统中的子气象站设备数量可扩展,各个子气象站所采集的气象环境数据精度较好,系统能够稳定地监测大气温湿度、风力风向、雨雪量、光照强度和大气压力等气象要素。子气象站正常工作时,平均运行功耗为1.58W,达到我国气象局所公布的新型气象站功耗要小于等于2W的标准。

关键词： 乘法器   低功耗   压缩器   乘加电路  

摘要： 晶体管制造工艺的快速迭代,推动了处理器芯片性能的不断升级。伴随着主频升高,芯片的功耗和发热问题也愈发明显,优化高性能芯片的功耗成了关注的重点。乘法器作为微处理芯片的重要计算单元,它的功耗将直接影响芯片的整体功耗,因此乘法器获得了较高的关注。本论文主要围绕高性能数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)中逻辑运算模块——乘法器、加法器的功耗优化展开,通过优化电路结构和逻辑、使用定制单元库的方式,实现了降低乘法器功耗的目标。 首先,在参考大量乘法器相关文献的基础上,根据基4 Booth编码、改进型Wallce压缩树和Sklansky加法器等技术,改进了一种低功耗的乘法器电路结构,完成了编码电路、基于进位保留加法器(Carry Save Adder,CSA)改进设计的42压缩器(简称CSA42)和加法电路的设计和仿真。在相同的仿真条件下,与使用基于CSA设计的32压缩器(简称CSA32)的Booth-Wallce乘法器相比,功耗减少60%,达到了减小开销、降低功耗的设计要求。 然后,基于先进工艺下的全数字流程和不同的单元库,完成了两版16位BoothWallce乘法器的综合和后端物理实现。在相同的仿真条件下,与基于标准单元库设计的乘法器相比,本文改进的基于定制单元库设计的乘法器在功耗方面降低了51%,实现了乘法器在功耗方面的优化。 最后,在乘法器电路的基础上,提出了一种面向矩阵乘法计算的乘加电路结构,并实现了16位16位+16位16位的乘加运算应用。在相同的仿真条件下,与基于处理单元(Process Element,PE)设计的乘加电路相比,改进的乘加电路结构功耗降低了33.7%,验证了该乘加电路设计的优越性。

关键词： 宽带电力线载波通信   线路驱动器   电流反馈型运放   失配消除   低功耗  

摘要： 宽带电力线载波通信（Broadband Power Line Communication,BPLC）技术的不断发展推动了智能电网的建设。但我国低压电力线信道环境与国外存在巨大差异,导致国外的通信标准产品不能很好地适应国内需求。为了引导我国电力线通信产业健康发展,国家电网公司结合我国电力线信道特点和技术积累制定了低压高速电力线载波通信（High-speed Power Line Communication,HPLC）标准,并开始推动符合标准的相关通信产品研发。在整个BPLC物理层架构的局端设备中,线路驱动器相对于数字信号处理（Digital Signal Processing,DSP）器和模拟前端（Analog Front End,AFE）主芯片而言,承担了大电流的电力线驱动任务,消耗了电源系统中的绝大部分功率以保障传输信号的高质量接收。其自身的线性度和带宽分别决定了通信误码率（Symbol Error Rate,SER）和传输率,静态功耗则影响了电能利用率,但现有国产芯片和结构在这些关键性能上均受到了限制。为满足国内BPLC进一步发展的应用需要,本文研究并设计了一款高线性度宽带线路驱动器芯片,主要工作内容和创新如下:（1）针对芯片在工艺制造中产生的失配而引起的线性度恶化,基于电流反馈型运放（Current Feedback Operational Amplifier,CFOA）的基础电路结构提出了一种失配消除方案。匹配通道之间的失配会增加电路的偶次谐波失真,且不可避免,而现有的驱动器结构专注于从电路本身提高线性度,忽略了外在工艺失配的影响。为研究通道失配对芯片谐波失真的具体影响,根据谐波的生成机制,构建了放大通道的失配模型。为降低通道失配产生的影响,设计了一种交叉电流桥（Cross-Current Bridge,CCB）结构来综合两个通道的误差电流,达到了失配消除的效果。经过模型推导和仿真验证,该结构对偶次谐波失真的改善可以达到9.5d B。测试结果表明,在12MHz频率和8Vpp输出幅度下,设计的线路驱动器芯片驱动50Ω负载的二次谐波失真为-64d Bc,频段内衰减率为1.2d B/MHz,相比传统结构,整体线性度提升了3倍。（2）针对传统输出级对线路驱动器芯片带宽（Band-Width,BW）的限制,提出了一种单位增益放大器的输出级方案。通过对传统锥形输出级的研究,总结了其在应用中存在的三个缺点:多级结构会引入额外的极点;跟随器结构对负载变化敏感;功率驱动管的推挽（Push-Pull）结构会引入交越失真。设计的输出级利用闭环结构减少极点数量,扩展了芯片带宽,并且利用负反馈的特性降低输出阻抗和由功率管引入的失真,提升了带宽稳定性和线性度。测试结果表明,相比传统结构,设计的线路驱动器芯片带宽扩展了2倍,带宽稳定性的提升了10倍,在50Ω和100Ω负载电阻下的带宽分别为112MHz和120MHz。（3）针对线路驱动器芯片中过温保护（Over-Temperature Protection,OTP）模块的静态功耗问题,提出了一种适用于双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor,BJT）工艺的低功耗OTP方案。OTP模块的静态功耗直接影响了线路驱动器芯片的功率效率,由于BJT和互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS）工艺的导电特性差别,传统内置比较器的OTP结构在应用于BJT工艺时拥有高静态功耗,但BJT工艺又是保证线路驱动器芯片基础性能的最优选择。设计的OTP结构采用一种带正反馈的电流分配结构切换电路状态,无需内置比较器或设置参考电压,降低了静态电流和晶体管数量,提高了模块的工艺稳定性和电压稳定性。测试结果表明,相比传统结构,设计的OTP电路模块静态电流小于100μA,功耗节省率达到了97%。本文设计的BPLC线路驱动器芯片采用30V耐压的绝缘体上硅（Silicon-on-Insulator,SOI）-互补双极型（Complementary Bipolar Junction Transistor,C BJ T）工艺流片实现,芯片的最大输出线路功率为35.5d Bm,为后续BPLC芯片的国产化打下了基础。

关键词： MEMS水听器   氮化铝   低功耗   增敏技术   MEMS技术  

摘要： 水听器作为声纳的重要组成部件,其好坏直接决定了声纳的好坏。随着技术的不断发展,对水听器提出了小型化和低功耗的需求。针对这一问题,本文提出了相应的技术路径。首先,针对水听器的小型化,本文将MEMS技术应用于水听器中,实现水听器的小型化。其次,针对水听器的低功耗,本文设计了低功耗的水听器前置放大电路。但在减小水听器体积的过程中,有可能会造成水听器灵敏度的下降。为了在减小水听器体积的过程中,性能还能与传统水听器持平,因此本文采用了两种方式来补偿水听器的灵敏度。其一是采用将芯片电极离散后串联的方式对MEMS水听器进行增敏。其二,选用氮化铝作为MEMS芯片的压电材料。与传统水听器中常用的压电材料压电陶瓷相比,氮化铝材料的品质因数更高,所制成的水听器灵敏度也越大。除此之外,氮化铝材料还有与MEMS工艺兼容性好、制备相对容易等特点。综合以上优势,本文中采用氮化铝作为MEMS芯片压电材料。论文的内容围绕MEMS水听器中三个重要的单元所展开,分别是MEMS水听器的封装结构、敏感芯片和低功耗前置放大电路。水密的封装结构可以保证水听器可以在水中正常工作,并使水中的声压能透射进水听器内部,被敏感芯片接收到。而敏感芯片的压电性可以将进入水听器的声压信号转换成电信号,最后通过低功耗前置放大电路对信号进行放大,实现水听器将声压信号转换成电信号的功能。论文对各部分的原理、设计、制作、测试进行介绍,结合理论计算、仿真分析等手段,给出各部分的具体参数,制作出离散电极芯片和连续电极芯片两种不同的MEMS水听器。经过测试,两种水听器的功耗为1.5m W,离散电极MEMS水听器灵敏度为-201.5d B,频带范围为100Hz-1.2k Hz;连续电极MEMS水听器灵敏度为-215dB,频带范围为100Hz-1.5kHz。

关键词： 多智能体系统   一致性   Q学习   多线程  

摘要： 随着计算机以及网络技术的不断进步,对于多智能体系统协同控制的研究与日俱增。例如自动化仓储系统控制、无人机编队控制以及卫星姿态控制等。一致性问题是协同控制的基本问题之一,即通过智能体间的信息传递交互,使所有智能体的状态都能达成一致。Q学习是一种有效的强化学习方法,已经被广泛应用于跟踪控制、鲁棒控制、自适应控制等方面的研究。本文将研究基于Q学习的多智能体系统一致控制问题,文章的主要内容如下:(1)研究了一种基于Q学习的离散非线性多智能体系统一致控制问题。首先,构建了局部邻接误差,将多智能体系统的一致控制问题,转化为最优误差调节问题。然后,提出基于Q学习的策略梯度一致控制方案,通过构造合适的李雅普诺夫函数,证明了算法的收敛性。用Actor-Critic网络结构近似Q函数与控制策略,实现算法。最后,通过多智能体系统的一致控制轨迹仿真实例验证了所提算法的有效性。(2)研究了一种基于多线程Q学习的迭代多智能体系统一致控制问题。首先,考虑一种采用多线程结构来加速数据采集的方案,多线程结构由线程单元、全局策略单元和缓存器三部分构成。线程单元创建多个线程,采集多个控制策略下的数据,降低数据间的相关性且提高采样能力;全局策略单元用于生成最优控制策略;缓存器用于存储多个线程产生的数据。然后,分析了基于多线程Q学习的迭代算法稳定性,证明迭代函数最终收敛于HJB方程的解。用Actor-Critic网络结构近似Q函数与控制策略,实现算法。最后,通过多智能体系统的一致控制轨迹仿真实例验证了该算法的有效性。